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材料科学中的相定义

时间: 2021-10-08 08:43:16 | 作者：零度君 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 97次

材料科学中的相定义

老规矩：本部分内容是科普向，如果错误还望轻拍

诈尸更新......三个借口：

一来是这一阵子忙的脚底冒烟，二来前几天估计是累坏了直接病倒，国庆磕了好几盒子药.......三来，这个专栏一般都得是有人找我问的时候我觉得问题挺有意思才来更新的

好，闲话少说，今天我们来说一个名词——相。

相的定义

大家学物理化学肯定绕不过“相”的定义，但就是这个定义，我发现有些理解其实是有点问题的（包括某些老师的讲义中）。比如，我给大家举个一些教材中常见的例子：

相是指在热力学平衡状态下，化学组成、物理性质、化学性质相同的均匀物质的聚集态。

看上去没问题吧。

好，我们继续看下一个定义，相变：

相变是指不同相之间的相互转变。

那么问题来了：4℃的纯水和8℃的纯水算一相还是两相呢？如果说是一相那么4℃的纯水和8℃的纯水物理性质不完全相同，如果是两相那么难道4℃的纯水加热到8℃有相变了吗？

释义：这事一个误解

实际上，在相的定义在翻译过来的时候出了点小问题，那就是......算了我引用一个英文的定义吧：

a phase is a region of space (a thermodynamic system), throughout which all physical properties of a material are essentially uniform.相是指在热力学系统中的一个区域，该在该区域内，材料的所有物理性质基本上是均匀的。

看到了吧，实际上相定义中“性质相同”这点指的是物质的各部分性质相同，应该翻译成“性质均一”更为合适。

换句话说，按照相定义，在相图的单相区中材料的物理化学性质是均一的，并非是说单相区中不同热力学状态时材料的物理化学性质彼此完全相同的。

其实目前很多教材中都已经采用了“均匀”这个词而不是“相同”以避免误解，但是在部分地方仍然可以见到这种误会。

因此，正经的解释是这样的：

标准大气压下，4℃下的纯水是一个相；8℃的水也是一个相。

那么，这两个相是不是同一个相呢？或者说，把纯水从4℃加热到8℃有没有相变呢？

不好意思，这个不是从相定义入手的，得根据实验把相图绘出来。在相图中的同一个单相区内，那么就是一个相。

吉布斯相律

这里再啰嗦一句吉布斯相律，这是我们搞相图的重要工具之一：

F=C-P+n 其中F表示自由度，C表示化学组成数，P表示相数，n表示外界因素。

举个栗子：对于纯水的P-T（压力-温度）相图，化学组成就水自己，所以C=1；外界因素有压力和温度，所以n=2，那么我们可以得到：

F=3-P

显然，当三相共存时（P=3）自由度是0，因此水只有一个三相点，而且这个点的温度和压力都是固定的。

同理，两相共存呢？自由度是1，意味着对于给定的温度或压力，都能唯一确定一个两相共存点，比如熔点或者沸点，意味着两相区是一个一维区域，一根线。

那么，单相区呢？P=1时自由度F=2，意味着单相区是一个二维区域。通过实验我们可以发现8℃的水和4℃的水在同一个单相区内，所以这俩热力学状态对应的是一相。

二元相图同理：对于F-Fe3C相图，C=1，n=2，P=1，所以F=2同理可得单相区是一个二维形状；两相共存区，C=2，n=2，P=2（两相对应两个化学组成）所以F=2。两相共存区也是一个二维区域。

比如我们常见的α-Fe相区

Fe-Fe3C相图

但是，如果C=1，n=2，P=2（即相变前后不发生化学成分的变化），那么F=1了，此时两相共存区就是一条线了。例如Fe-Fe3C的铁磁性-顺磁性转变（居里转变），如下图黄色虚线

这种相变叫做连续性相变，也叫高阶相变。比如铁磁性-顺磁性转变目前被认为是一个二级相变。具体可以看这里：

材料中的相是不严格的

好，然后问题来了。按照Fe-Fe3C相图，α-Fe相区包含了纯铁和Fe的固溶体，纯Fe和含极少量C的Fe固溶体，能不能算同一相呢？

在材料科学中是算作一相的，但显然纯Fe和Fe-C固溶体是有差别的，因此在材料学中相的定义是不严格的。

时间比较急，先写到这里吧，回头有空继续补......

文章标题: 材料科学中的相定义
文章地址: http://www.xdqxjxc.cn/jingdianwenzhang/125046.html
文章标签：材料  材料科学  科普
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